燃气管道强制电流阴极保护

燃气管道强制电流阴极保护燃气管道强制电流阴极保护 管道的强制电流法阴极保护主要由外加直流电源和辅助阳 极接地床构成 基典型系统如图 10 32 所示 图 10 32 管道的强制电流阴极保护系统 1 整流器 2 连接头 3 阳极电缆 4 交流输入 5 焦炭 6 辅助阳极 7 参比电极 8 管道 9 接电压表阴极 一 强制电流保护的设备与装置一 强制电流保护的设备与装置 强制电流保护的设备与附属装置 如图 10 33 所示 它包 括直流电源 辅助阳级 绝缘法兰 测试桩和检查片 图 10 33 管道阴极保护示意 1 流电源 2 整流器 3 阳极 4 被保护管线 5 绝缘法 兰 6 测试桩 7 检查片 一 电源设备 阴极保护系统中 需要稳定的直流电源 能保证长期持久 的供电 阴极保护电源是阴极保护的重要设施 低电压 大电 流是其特点 一般情况下应优先考虑市电 或各类站 场稳定 可靠的交流电源 当使用农用电时 必须装有备用电源或不间 断供电的专门设备 对于无市电地区 强制电流阴极保护电源还可以选择太阳 能电池 高容量蓄电池 无人管理的密闭循环发电机组等 这 些电源设备都应具备 输出电压 电流可调 可长期连续供电 可靠性高 寿命长 易于维修保养 对环境适应性强 具有过 载 防雷 故障保护装置 1 整流器的类型 整流器是一种将交流电转变为直流电的装 置 它结构简单 易于安装 无转动元件 操作维护都方便 自然空冷式整流器元件的选择取决于所需性能及周围温度 和天气的影响 目前常用的整流元件特性如表 10 52 所示 表表 10 5210 52 整流二极管的特征整流二极管的特征 项目单位 segesi 电流容量 循环冷 却 a cm20 07 4080 风冷 a cm20 20 100 200 有效转换电压 v25110 380 最高工作温度 8565140 整流效率 9298 5 99 6 设备工作所占的相 对空间 1531 正向导通电压 v0 4 0 2 0 7 动态电阻 m cm2 1100 41 硒整流器仅允许有相当低的电流 因此所需空间大 仍经 常在阴极保护装置里使用是因为它经得住足够的工作温度 对 过载和过压不敏感 在交流线路里快速熔断保险丝和直流输出 端的慢速熔断丝足以应付过载情况 锗整流元件不能用于阴极保护 因为它只能制成低功率的 二极管 有时 将二极管装在杂散电流导体上以切断反向电流 但很明显 在过载时易在两个方向上导通 硅整流元件是阴极保护整流设备中最常用的 它具有很高 的电流容量和整流电压 所需空间很小 现行的硅二极管均为 封闭式的 因此不受外界气候的影响 但是 硅二极管对超压 和过载很敏感 应在变压器和整流元件之间串入特快熔断器 并在输出端提供过载保护 在正常的气候条件下和低环境温度 下 硅整器和低效率的硒整流器一样经济 2 恒电流式整流器 杂散电流保护用整流器为磁饱和电抗器 或可控硅整流器 电流排放时不受外部电阻或反向电压的支配 带有限流或滤波的整流器有一个增大的内部阻抗 像一个恒电 流稳流器 这种整流器特别适用于强制排除覆盖层相当差的管 线的杂散电流 这种管线的管一地电位通常与排出的电流成比 例 安装恒电流保护装置时 管 地电位即使出现相当小的波 动 也应予以考虑 恒电流控制的整流器有时用于敷设在正向电车轨道下面的 管道的阴极保护 一般应当将杂散电流朝自然流向排流 即最 后在铁轨交叉点的两边若干千米远处实现强制电流阴极保护 3 恒是位式整流器 管一地电位 特别是良好覆盖层管线的 管一地电位 在下流电电气铁道影响范围内经常波动很大 因 此 非可控保护装置的平均管一地电位 必须大幅度减少 以 便杂散电流高时维持一个适当的保护电位 过负的管一地电全 不仅增加电功损耗 而且还对其他管线产生不利影响 电化学 试验长期使用恒电位法来保持电极电位的恒定 同样 能够用 磁放大器或控制整流器的闸流管来控制管线和参比电极之间的 电侠 用专门设计的参比电极作为埋地装置的控制电极 例如 自然电位比较稳定的金属铁 铜 锌或镁 如果可能 控制电 极应安装于管一地电位最不利的地方 如铁路交叉点 并靠近管 道 以便在测量结果中包括的土壤电位降最小 图 10 34 是磁放大恒电位控制器的基本电路 整流器中的 电压表是用以调整管线给定电位的 实际测得的管一地电位的 电压与这个参比电压相比得一电压差 此电压差通过磁饱和电 抗器控制整流器变压器的输出 如果管一地电位从参比值向正 向偏移 则保护电流增加 若向负向偏移 则保护电流减少 几个并联运行的装置的响应时间必须可调 以避免感应振荡 当管一地电位恒定时 在铁轨电位极负时则经常产生很高的电 流峰值 因此 控制装置的整流板通常要做成能通过相当于变 压器电流两倍的电流 图 10 34 可控电位整流器的排流方框图 1 交流电源 2 磁饱和输入 3 参与电极 4 磁饱和输出 5 整流输出 6 轨道或阳极 7 管道 4 可控硅恒电位仪 阴极保护过程中 金属管道的一地是 位往往因各种因素而变化 如供电电网的电压波动 气候的变 化 管道防腐层的老化变质 杂散电流的干扰 土壤含水量的 变化等 均可使管道的电位发生波动 为维持管道电位永远处于一最佳的电位范围内 就需经常 调节供电电源的电位与输出电流 使管道电位恒定在一规定的 范围内 这就需要采用恒电位仪自动控制 恒电位仪可在无人值守的情况下自动调节电流和电压 使 管道阴极保护通电点电位恒定在控制电位内 达到最佳保护效 果 1 原理可控硅恒电位仪利用可控硅整流器作电源 自动改 变电解中被控制对象的电流密度 使其处于某一最佳控制电位 其基本原理如图 10 35 所示 图 10 35 恒电位仪的方框原理 1 参比电极 2 研究电极 3 辅助电极 当外界条件 介质成分 温度 湿度等 发生变化时 引起研 究电极电位的偏移 即管道的电位 此偏移可由参比电极取值经 与控制基准电位在比较器比较 输出一个不平衡信号给放大器 经放大后输入调整器 调节极化电流的大小 从而使研究电极 恢复到所控制的电位值 做到电位恒定 恒电位仪在室内工作 目前我国在长输管道上已实现微机 管理 全部做到自动化 2 恒电位仪的性能指标 给定是位连续可调 0 5v 一 2 0v 电位控制精度 20mv 绝缘电阻 电源进线对地 100m 输入阻抗 1m 抗交流干扰能力 12v 耐电压 750v 电源线对机壳 负载波纹系数 单相 5 三相 8 3 恒电位仪性能 目前 在长输管道中所使用的 ksw d 微 机管理恒电位仪性能 它能满足上述恒电位仪基本性能要求 微机管理部分有百年日历 时钟 定时和间隔打印 正常 保护打印 故障打印 恒电位仪关机打印和自动切换备用机等 打印内容有时期 时间 输出电压 u0 输出电流 i0 控制 电位 c 保护电位 正常时间累计 故障时间累计 e 故障 标志 eerr 和机名 二 其他形式电源 在交流电缺乏的边远地区 可利用的电源种类很多 如风 力发电机 太阳能电池 闭路循环蒸汽涡轮机 热电发生器 蓄电池等 它们统称为第二电源 其中 太阳能电池和闭路循 环蒸汽涡轮机可靠性较好 寿命均可达 20 年以上 费用也很经 济 1 硅太阳能电池 太阳能电池是利用半导体器件的光电转换 原理 将光能转变为电能的一种装置 可以产生太阳能电池的 半导体的材料有单晶硅 硫化镉 砷化镓等 其中 硅薄膜电 池的工艺较为成熟 地面阴极保护用的太阳能为 p n 型硅太阳能电池 电池在 热平衡状态下 当光线照射在半导体换能器 p n 结上时 在负 载上就有电流流过 直接把光能转换成电能 硅太阳能电池的 转换效率一般为 8 12 最高可达 15 太阳能电池在光 电转换中不发生化学反应 本身物质不消耗 无污梁 无噪声 性能可靠 适用温度范围宽 60 120 在国外应用较多 硅太阳能电池可串联 并联组成电池组 常称为硅太阳能 电池方阵 它适用于恶劣环境 如高温或低温 潮湿 盐雾地 区 其优点是重量轻 使用方便 可靠性高 耐冲击和震动 寿命长 但价格较贵 图 10 36 是硅太阳能电池电源阴极保护结构的原理图 2 直流发电机组 直流发电机能提供无脉动的电力 其输 出电压可精确调节和控制 其低电压 大电流的输出特性更适 合于作阴极保护用电源 3 热电发生器 热电发生器原理与一般热电偶相同 它是 利用两种不同金属在连接点上加热 产生温差电势 输出电流 的电源装置 提高连接点一侧的温差材料的温度 另一端由于 散热片的作用 温度低 这就存在着温差电势 接上负载后就 有电流输出 常用的温差半导体材料有碲化铅等 实际使用中 由于用 一对温差材料发电功率太小 通常使用多对温差材料并联起来 组成大功率的热电发生器 热电发生器利用油 气管道本身输送的介质作为燃料 使 温差材料发电 因而适用于无电或经常停电的阴极保护站 国 内生产的热电发生器功率可达 100w 使用寿命达 2 年 但价格 较贵 二 辅助阳极地床二 辅助阳极地床 辅助阳极是在阴极保护装置中 将保护电流从外加直流电 源引入土壤中的导电体 外加电流通过辅助阳极输送到埋地的 被保护金属管道的表面 金属体阴极极化 一 辅助阳极 强制电流用辅助阳极多选用电子型导体材料 选用辅助阳 极主要应考虑成本 电化学性能和机械性能等因素 这些因素 是相互关联的 具 图 10 36 太阳能阴极保护系统 1 太阳能电池方阵 2 充电控制器 3 蓄电池组 4 阴极 保护控制装置 5 连接电缆 体材料的选择不只是涉及到总费用 而且还必须考虑阴极 保护系统的初期费用和被保护设备及阴极保护装置在设计寿命 期间的维护 运行及更新费用 适合作辅助阳极材料的导电体应具备以下条件 1 具有良好的导是性能 能通过较大的电流量 极化小 2 与土壤或地下水接触时具有稳定的接触电阻 3 化学稳定性好 阳极本身的消耗低 4 机械性能了 便于加工和安装 5 来源广 价格低廉 辅助阳极材料分为如下几大类 稀有金属在 以铂为主 其基材可分为钽 钛 铌等 黑色金属类 以废钢铁 高硅铸铁为主要代表 铅系材料 以铅银合金 铅铂为主要代表 碳素材料 以石墨为主要代表 有色金属材料 以铝 锌为主 也可当作辅助阳极用 另外还有复合式阳极 在土壤和淡水中 应用最多是废钢铁 石墨及高硅铸铁材 料 废钢铁是用于强制电流辅助阳极最早的阳极材料 其优点 是来源广 价格便宜 常使用报废的旧装置 其缺点是消耗率 高 可达 9 10kg a a 钢铁阳极的工作电流密度不必限制 在 运行时以铁的电解腐蚀为主要阳极反应 所以在电极上析出气 体很少 没有 气阻 问题 高硅铸铁材料问世于 1912 年 长期以来作为化学工业的耐 蚀材料应用 其主要成分为 14 si 0 7 mn 0 95 c 余量为铁 在阳极条件下工作的硅铸铁 表面生成二氧化硅膜 渗透性很好 是良好的电子导体 但高硅铸铁耐卤素的性能很 差 所以它的使用应限制在含 c1 小于万分之二的环境中 为了 改善耐 c1 的能力 可在高硅铸铁中添加 1 3 的铬 称之为 高硅铬铁 自 1959 年以来 它已广泛应用于海水或含氯化物的 土壤环境中 其典型成分为 14 4 si 0 7gmn 1 0 c 4 25 cr 余量为铁 高硅铸铁 在应用中 应注意 气阻 和搬运中的脆断 高硅铸铁阳极一般为圆柱形 可使阳极的腐蚀均匀 它又 有空心与实心之分 空心阳极的利用率比较高 对阳极引出线有限制的原因 是为了减小接线的电阻 因 此也对引出导线的截面有 16mm2 的要求 以便在阴极保护进行 中 使电能的消耗大部分用于被保护金属的防护 根据规范 阳极引出线的接触电阻应小于 0 01 其拉脱力值应大于阳极 自身重量的 1 5 倍 接头应密封可靠 阳极表面应无明显的缺 陷 高硅铸铁阳极使用性能与常用规格见表 10 53 和表 10 54 表表 10 5310 53 高硅铸铁阳极使用性能高硅铸铁阳极使用性能 种类 允许电流密度 a m2 消耗率 kg a a 使用环境 高硅铸铁阳极50 80 0 5 土壤 淡水 高硅铬铁阳极50 80 0 5 含氯离子土壤 海 水 表表 10 54 常用高硅铸铁阳极规格常用高硅铸铁阳极规格 阳极规格阳极引出线规格 序 号 直径 mm 长度 mm 截面积 mm2 长度 mm 参考质量 kg 1501500 16100022 2751500 16100035 31001500 16100080 石墨阳极是公认的耐蚀材料 也是微溶性材料 尤其是耐 氯性能好 因此可应用于海水和含氯化物的土壤中 但由于它 质脆 安装不方便 在使用上颇受限制 近年来多用树脂浸渍 石墨以增强其机械性能 这种石墨称为不透性石墨 但不透性 石墨电阻较大 阳极表面电流分布不均匀 在电流集中处易断 裂 我国在地下电缆和长输管道的防护中 均使用了石墨阳极 石墨阳极在加拿大 美国等应用较广泛 从 1927 年使用起 至 今已有较长的历史 石墨阳极的石墨化程度应大于或等于 81 灰分应小于 0 5 石墨阳极宜经亚麻油或石蜡浸渍处理 石墨阳极的主要 性能指标见表 10 55 常用规格见表 10 56 石墨阳极的阳极引出线接触电阻应小于 0 01 拉脱力数 值应大于阳极自身重量的 1 5 倍 且接头应密封可靠 表表 10 5510 55 石墨阳极的主要性能石墨阳极的主要性能 密度 g cm3 电阻率 mm2 m 气孔率 消耗率 kg a a 允许电流密度 a m2 1 7 2 29 5 11 025 30 0 6 5 10 表表 10 56 常用石墨阳极规格常用石墨阳极规格 阳极规格阳极引出线规格 序 号 直径 mm 长度 mm 截面积 mm2 长度 mm 参考质量 kg 1751000 16100010 21001450 16100023 31501450 16100051 为提高耐蚀性 可用树脂浸渍 用亚麻油浸渍则可降低气 孔 抑制可能引卢的阳极胀裂或过早失效 表面气体的析出及 碳的氧化 浸渍后的阳极寿命可延长约 50 石墨阳极不能在有氧浸入 呈酸性和硫酸盐离子较高的地 方长期使用 如厍拿大萨斯喀温省东南 20 年期间已有数百个 阳极地床被损坏 经过土壤分析确认 是硫酸盐的浸蚀性所致 使阳极使用的寿命仅为 2 3 年 磁性氧化铁阳极是 20 世纪 70 年代发展起来的一种新型难 溶性阳极材料 主要是用磁铁矿和铁氧体经高温烧结制成磁性 氧化铁粉末 再采用专门的铸造技术 将磁性氧化铁粉末铸成 中空有底的圆柱阳极 磁性氧化铁具有消耗低 使用寿命长 受温度变化影响小 的优点 磁性氧化铁的主要成分 质量分数 是 fe3o492 93 feo 约占 30 fe2o 约占 62 63 sio24 6 cao mgo al2o3 分别占 0 1 1 为了在整个阳极表面得到尽量均匀的电流密度 整个内表 面镀一层铜 阳极长度约 800mm 外径 60mm 壁厚 5 10mm 磁性氧 化铁阳极的电阻率很低 反允许通过的电流密度约 20 50a h m2 消耗率为 0 02 0 15kg a a 其机械性能与高硅 铁相似 也具有硬 脆的特点 在日本 加拿大 瑞典都有应 用 特别是适用于土壤中 也可用于海水和淡水中 因此 被 认为是今后外加电流阴极保护中最具前途的阳极材料 常用的阳极材料特性见表 10 57 表表 10 5710 57 辅助阳极材料及性能辅助阳极材料及性能 阳极材料主要成分 消耗率 kg a a 允许电流密度 a m2 高硅铸铁 si14 5 dr4 5 0 1 1 05 80 石墨 c 0 4 1 35 10 磁性氧化铁 fe3o4 0 003 0 008100 1000 钢铁 fe 9 1 1 0 上述阳极材料是在阴极保护中技术成熟 使用普遍的辅助 阳极材料 在我国也广泛应用 除磁性氧化铁外 各国均根据本 国资源及技术条件来选用阳极材料 如在海水中金属构筑物的 防护 美国过去用石墨阳极 后来用镀铂钛阳极 近年来开始 采用铂钯合金阳极 英国采用镀铂钛 铅银合金 近年来在试 验镀铂钽 日本则采用铅银合金和铅铂复合电极 二 参比电极 阴极保护中经常需要测量和控制设备的电位 使其处于保 护电位之内 要测量电位 就需要一个已知电位的相对标准的 电极 将待测电位与之比较 这种电极称为参比电极 即参比 电极是一种电位恒定的基准电极 在测量中 用这个电极的电 位差来表示被测物的电位值 参比电极除电位稳定外 还应具 有易于制作 便于携带 电位精确 重复性好 测量方便 寿 命较长及价格便宜的特点 在阴极保护中常选择可逆电极来做参比 如甘汞电极 中性 介质中 硫酸电极 土壤 中性介质 氯化银电极 海水 氯离 子稳定的中性介质中 氧化汞电极 碱性介质 等 以上几种电 极都是电极材料和带有特种电解液组成的半电池电极 这种电 极较贵 发装易损坏 使用不方便 还有一种固体电极 是由 电极材料直接与腐蚀介质组成的半电池 常用的是金属和一些 合金材料 如不锈钢 碳铜 锌 镁等 这种固体参比电极牢 固耐用 使用 安装方便 但稳定度 精确度都不如可逆电池 使用前 要先讲行标定 国内阴极保护多采用可逆不极化硫酸铜参比电极 用硫酸 铜参比电极和恒电位仪组成自控信号源 但由于液体硫酸铜参 比电极的密封性难以保证 且需要经常添加硫酸铜溶液 冬季 又容易冻结 影响了恒电位仪的连续自动控制 所以 国外也 采用固体电极作恒电位仪的参比电极 如镁电极和锌电极 在 固定环境中使用其极化值可以保证要求的精度 但使用中要有 填料来保证电极电位的稳定性 长寿命埋地型硫酸铜电极由两部分组成 电极本身与为改 善电极工作环境的填包料 用这种导电填包料来取代便携式液 体 cuso4 电极中的饱和硫酸铜溶液 克服了溶液的渗漏问题 导电填包料主要成分为石膏粉 硫酸钠和膨润土 其作用 为 石膏粉 微溶可塑性材料 可在潮湿条件下长期保证 so 24 的浓度 改善了土壤环境的离子污染程度 硫酸钠 改善填料的导电能力 降低电阻率 膨润土 遇潮膨胀并能长期保持湿度 使电极在工作中长 期和土壤结合紧密 永久维持湿润 总之 填包料隔绝了电解液渗漏的渠道 并使电极永远处 于潮湿糊状 有利于电极的工作 其效力可达 10 年以上 这种参比电极已在少数输油管道进行了偿试 实际寿命还 有待进一步探测 长寿命埋地型参比电极 克服了液体便携式 参比电极每 1 个月 甚至 1 个星期就要加 1 次液 每两年就更 换 1 次电极的缺点 其优点是安装后可用几年甚至 10 年再更换 节约人力物力 同时还使测量精度提高 降低 ir 降 也为阴极 保护在无人地区的推广使用提供了前提 三 辅助阳极地床回填料 焦炭碴主要成分是碳 它是辅助阳极的理想回填料 多孔 且导电良好 用于填包高硅铸铁阳极 石墨阳极可避免 气阻 并起到加大阳极尺寸 减小阳极拉地电阻 延长阳极寿命的作 用 回填焦炭的颗粒度是应用中的关键 颗粒太大 则呈现大 的局部接触电阻 导致不均匀的消耗 颗粒太细 对避免 气阻 不利 有时可填加一些化合物来改善工作性能 例如加 10 的 熟石灰来阻止因电渗透造成的湿度损失的趋势 有时在非常干 燥的条件下可使用硫酸钙 由于使用回填焦炭把电解型导电转化为电子型导电 使得 阳极消耗由阳极主体转到焦炭上 以生成 co 和 co2 为主要反 应 大大降低了阳极体的消耗率 当完全氧化反应时 其焦炭 的消耗为 1 0kg a a 而实际的消耗率只有 0 25kg a a 这主 要取决于环境条件 典型的焦炭回填料见表 10 58 中 表表 10 5810 58 焦炭回填料特性焦炭回填料特性 25mm 占 8 电阻率 50 cm 20 25mm占 34 碳 85 16 20mm占 39 水分 5 10 16mm占 17 挥发性物质 1 颗粒度 过 筛 10mm 占 2 灰分 8 密度约 580kg m3 化学成分 硫 1 截面为 300mm 300mm 的阳极地床的回填料参考用量为 50kg m 目前在土壤中的水平式地床可采用连续性焦炭渣回填 在回填焦中每隔 1 5 2 倍的阳极长度间隔放置阳极 这样不 但防止了阳极体的端部效应 还可使阳极成为一字形连续大阳 极 大大提高阳极的利用率 图 10 37 为阳极材料的消耗率 图 10 37 阳极材料的消耗率 阳极埋地电阻如无焦炭填料 则投入使用后其电阻值会迅 速增加 埋在焦炭填料中的阳极则可保持多年无变化 如图 10 38 所示 四 地床结构及其特点 强制电流阴极保护的辅助阳极地床可分为浅埋和深埋两大 类 其方式有立式和水平式两种 目前国内常用浅埋立式阳极 其结构如图 10 39 所示 这种阳极地床的特点是 安装容易 费用低 阳极埋设深度处的土壤湿度变化小 不受地下水的影响 阳极可适当加深埋入理想湿度的环境中 不会受冻土层的影响 填料易夯实 利于气体的排放 阳极问 隔相等 彼此干扰小 因此利用系数高 图 10 38 有焦炭和没有焦炭回填的立式单支阳极的接地电阻 立工阳极优点很多 但有些场合不宜采用 如在薄的岩石 层结构地方和深层土壤电阻率较高的地方 砂质土壤的河滩地 及地下水位较高不易开挖的地方和沼泽地区 都不宜用立式阳 极装置 需选用水平式阳极地床 其典型结构如图 10 40 所示 与立式阳极相比 平式阳极地床有如下特点 开挖土方量相对 小 维修较方便 阳极可通过回填料首尾相接 构成一根长串 式连续性的大阳极 有些场合 由于地理环境 地表土壤电阻率的限制 不宜 浅埋地床 而需采用深埋工阳极 如立式深井阳极 这种阳极 用于人口稠密地区更好 既可少占地 又可在某种程度上减少 对邻近其他设施的阳极干扰 深井阳极可由单根阳极或多根阳 极串联而成 图 10 41 为一种典型的深井地床 图 10 39 立式阳极地床构造示意图 五 地床位置的选择 地床位置的选择主要考虑 图 10 40 水平式阳极地床构造示意图 1 地床相对管道的距离 一般取 300 500m 为宜 覆盖层质 量良好或受环境影响 亦可取 60 100m 2 电能的利用率 尽可能靠近已有的电源 最大程度利用 电能 3 土壤电阻率尽量选在土壤电阻率低的地方 以降低阳极 接地电阻 减少阳极支数 相应降低阳极的运行费用 4 土壤湿度 土壤湿度大 有利于阳极工作 对于高硅铸 铁阳极尤其重要 随着阳极电解作用的发生 而释放或减少阳 极周围土壤的水分 将会导致阳极接地电阻的增加 甚至失败 5 土地的利用 阳极地床属地下隐蔽设施 只要设计得当 就可不占或少占耕地 选择地床位置时 应遵守下列原则 尽 量与站 场 路等非耕用土地相结合 城市 站区管网应尽量 采用深井地床 限制阳极排放电流 使地面电位梯度小于 5v m 不影响地面耕作 避免在有争议地产权的土地上安装阳 极 6 干扰影响 阳极地床是个点电流场 当阳极电流流过时 将产生一个很强的电场 会给 图 10 41 深井地床 1 回填土 2 接整流器电缆 3 套管 4 粗砂 10 30 5 电缆护管 dn80pvc 管 6 钻孔 0 30m 7 焦床 8 硅铁阳极 9 支撑架 周围其他金属构筑物造成干扰 所以选择地床位置时应予 考虑 7 地域的规划 了解近期的地域规划 避免阳极搬迁 造成 浪费或停产 8 安装难易与生态环境 六 施工与安装 深井阳极需用钻机钻孔至一定埋深 然后将所需的阳极块 数量由设计决定 由下至上按一定间隔绑在钢管上 钢管上要留 透气孔 在阳极外罩一塑料软管后缓慢放入钻好的深孔内 然 后 用泵向塑料管内注入湿的填料 焦炭与水的混合物 使填料 注满井筒 将阳极包围 注满一段 将塑料软管抽出一段 直 至注满为止 每支阳极的引出电缆可分别引出或串接后单根引 出 由于钻孔的管壁和阳极之间填满导电的焦炭 形成了延续 的立式阳极地 延续式阳极地床可得到有利的接地电阻 均匀 的电位和电流分布 深井阳极中阳极与阳极之间的串 并联接头 包括阳极与 电缆的接头 均要作到可靠的连接 有效的密封 否则会影响 阳极的使用寿命 为确保阳极的有效性 深井阳极可并联敷设 于地床的不同深度层上 阳极装与整流器之间的连接电缆的绝 缘密封也要非常可靠 否则在缺陷处 会由于土壤溶液的作用 造成局部断路 在较开阔的地带 一般安装卧式阳极 施工时 开挖一条 宽 0 3 0 5m 深 1 5 1 8m 的沟 沟的底部铺上厚 0 2m 的 焦炭层 然后敷设连接成串的阳极 上面再覆盖一层 0 2m 厚 的焦炭层 形成水平式的延续式阳极地床 图 10 42 说明了延续式阳极地麻在地面上可产生均匀的电 位分布 图 10 42 与阳极地床轴线垂直 10m 处地面上的电位分布 注 上面曲线为延续式焦炭地床 下面曲线为单支阳极曲 线 阳极电压 40v 电流 6a 100 m 对于电流需要量较大的设备 如在 20a 以上 可采用水平 式连续阳极 如能使用挖沟机时 安装水平式阳极通常是比较 经济的 1 电缆的选型与施工 1 电缆选型 阴极保护系统的配线截面 应根据电流大小和 经济电压降来确定 配线的电能消耗不宜大于阴极保护系统的 20 一般规定为 直流电源至阳极和管道配线的截面积不宜 小于 16mm2 测试桩用的测试导线截面积不宜小于 10mm2 跨接线和均压线的截面积不宜小于 50mm2 阴 阳极连接导线 的总电阻所占系统回路总电阻的比例不得大于 20 原则上使 用铜芯线 当阳极导线采用埋地型时 应采用 w29 500 型电缆 当采用架空引线时 可采用 lgj 型钢芯铝绞线 国内在阴极保 护设计中推荐的型号与截面如下 1 阴极连接电缆 w29 500 1 16 20 电阻 1 12 km 2 阳极连接电缆 w29 500 1 35 20 电阻 0 519 km 3 测量阴极电缆 w29 500 1 6 20 电阻 3 11 km 4 参比电极电缆 w29 500 1 6 20 电阻 3 11 km 5 测试桩引线 bw 1 10 20 电阻 1 83 km 6 均压跨接电缆 w29 500 1 50 20 电阻 0 357 km 当阳极引线采用 架空线时 导线型号可为 lgj 50 20 电阻 0 65 km 2 电缆施工要求 电缆使用前 应检查电缆绝缘外皮有无破 损 有破损则应修复后再用 铠装电缆的弯曲半径与电缆外径的比值不应小于 10 倍 无 铠装为 6 倍 直埋电缆线路的直线部分 若无永久性建筑物时 应埋设 标桩 接头和转角处也均应埋设标桩 尽量使用整根电缆 以减少和避免电缆有过多的接头 直埋电缆埋入前 应将沟底夯实 电缆周围应填入 100m 厚的细砂或筛过的细土 砂层上部要用定型的混凝土盖板保护 电缆与管道连接应采用铝热剂焊接法 以避免应力集中 电缆敷设安装还应符合电气装置国家标准 d011 35kv 以下 电缆敷设 的要求 阴极保护用电缆的地下接头 要求有相当严格的绝缘封密 性 比一般电力电缆接头的要求高得多 这是因为此类接头埋 在地下 要受到土壤中水分的侵蚀 如密封不好 地下水进入 接头部位 必然会有电偶腐蚀发生 此时会由于电线芯受损而 造成断路 因此 电缆接头的密封工作必须做好 例如 阳极电缆的接头通常在焊接牢固后又用 0 5 的铁 丝捆扎 然后用热收缩套管密封 外部又用多层的胶带包缠 当阴极保护直流电源正极与阳极地床之间采用架空敷设时 电线杆的架设应按照电气装置国家标准图集 d101 施工 阳极线杆一般采用水泥线杆 包括阳极线引出线杆 直线 杆 转角杆 终端杆 这些都是阴极保护阳极导线的支撑物 阳极线引出杆有单阳极线引出杆和双阳极线引出杆之分 单阳 极线引出杆阳极线上需装阀式避雷器一支 双阳极线引出杆则 每根阳极线上各装避雷器一支 阳极线路杆终端杆平面位置与 阳极地床可保持任何方向 但需与接地体保持 0 5m 距离 2 铝热焊剂的应用技术 1 铝热焊剂 在阴极保护中 电缆与管道的连接 电缆与电 缆的连接 普通采用铝热焊剂连接 以前管道与电缆的连接常 用电焊焊接 而电焊焊接会产生过度的热应力 在焊接影响区 内残余应力会消除不当 因而产生金属在焊接影响区内的应力 腐蚀破坏 铝热焊剂焊接技术削除了因焊接引起的不安全隐患 尤其是对薄壁高压输气管道 铝热焊接的原理 是根据金属铝本身的强氧化性和氧化铜 cuo 进行放热反应 产生熔融金属铜 而将电缆焊接到钢的表 面 其反应的化学方程式如下 焊接剂中 除金属氧化物氧化铜 还原剂铝粉外 还有辅 助添加剂 铝粉中铝的含量不得小于 95 细度为 0 15 0 30mm 氧化铜中 cuo 的含量不得小于 95 粒度应 在一定范围内 铜和氧化铜的作用在于控制焊接温度和铜液量 辅助添加剂作为一种附加成分 用来降低熔渣熔点和增加流动 性 2 焊接模具 焊接模具为一石墨坩锅 因石墨可耐 3000 高温 具有良好的热稳定性 化学稳定性和塑性 每个坩锅可 使用 50 次以上 其结构如图 10 43 所示 坩锅上腔的尺寸影响着铝热反应进行的效果 中部和下部 型腔尺寸影响着熔融金属与熔渣的有效分离和熔融金属的流动 成型 3 焊接方法 将铜片放在图 10 43 所示位置 挡住药粉 然 后将药粉倒入石墨坩锅上腔中 再将电缆头压在铜管上 用高 温火柴或点火剂点火 使药粉发生铝热反应 反应生成的液态 金属铜流入石墨坩锅下部 在套有黄铜套的电缆上形成焊点 坩锅盖可防止液态金属外溅 磁钢可使模具吸附在钢体上 被焊钢管表面应先去除氧化皮 并在焊接冷却后将模具移 开 除去浮渣 整个焊接过程只需 3 5min 产生约 2500 高 温 铝热焊剂焊接的优点是焊接处具有和该连接电缆同等的载 流量 焊接牢固可靠 不会形成高电阻 设备简单 轻便 不到 1kg 价格低廉 无需电源设备 易于施工 3 阴极保护中的接头处理 为保证阴极保护的长期有效使 用 必须首先保证阴极保护的所有接头的连接可靠与优质的密 封 如阳极电缆的引出头 电缆与电缆的连接头 电缆与钢管 的连接头 测试桩处各种测试线的引出头 参比电极与钢管的 连接头等 由于这些接头埋于地下 因此 其密封绝缘性要高 于一般接头 图 10 43 磁钢固定式铝热剂焊接模具示意 1 坩埚盖 2 药粉 3 石墨坩埚 4 铜片 5 磁钢 6 钢 体结构 管道 7 黄铜套 8 电缆头 9 手柄 10 铰链 这些接头一般要求在铝热焊剂焊接牢固后 用环氧树脂密 封 填充 最外面再用与管体相同的绝缘材料绝缘 阳极导线引出头结构如图 10 44 图 10 46 所示 图 10 44 碳钢阳极接头处结构 1 导线 2 用环氧树脂或沥青封闭 3 灌铅 4 螺钉 5 塑料套管 6 铜鼻子 7 碳钢阳极 图 10 45 石墨阳极接头处结构示意 1 铜芯导线 2 环氧树脂填充 3 焊锡灌注 4 塑料管 5 石墨阳极 图 10 46 高硅铸铁阳极接头处结构示意 1 导线 2 螺钉装固 3 环氧树脂填充 4 塑料管 5 预 埋钢条 6 高硅铸铁阳极 阴极保护的阳极导线引出头是阴极保护的关键部位 有时 阴极保护系统的运转失灵就是由于引出头发生故障造成 因此 在阴极保护规范中规定了阳极与引出线的接触电阻小于 0 01 在上述图结构中均采用灌铅 焊锡灌注或预埋钢条的措 施 以保证有效的接触 同时规定了拉脱力的相应数值 此外 这类接头均要用环氧树脂密封 以避免水分的浸入和接头部位 电化学腐蚀的发生 处理不当 则会在接头部位产生腐蚀断路 使阴极保护的保护电流不能输入被保护金属体上 测试桩的电缆与钢管连接 不论是高出地面的测试桩 还 是与地面平齐的地下测试桩 均要求电缆与管道的连接可靠 同时要作好外部密封 国内在测试桩测试电缆与钢管的连接 常采用双焊点的连 接头 以防一个焊点失效后 全部检测系统失效 两焊点均采 用铝热焊剂焊接 日本煤气行业的测试桩设置是地下式的 如图 10 47 所示 采用接线板 国内称为接线端子 将电缆与钢管相连 通常用铜焊 或熔焊 铝热焊剂 焊牢后 用粘接密封剂密封 最外面用防腐材 料 热收缩套 防腐 图 10 47 测试桩连接示意 1 固定板 2 收缩套 3 玛 套 粘接剂 4 接线端子 5 导线 图 10 48 是执着线板部位的安装结构图 它表明钢管与电 缆连接部位的多层密封绝缘 在焊接完成后 要注入粘接剂 包扎橡胶外壳 橡胶栓 最外用胶带包覆 以保证接头的密封 可靠 这也是日本煤气行业的做法 图 10 48 接线板密封结构 1 扩罩 2 42 电线管 3 导线 4 外壳 5 胶带包敷 6 防腐蚀橡胶保护箱 7 橡胶栓 8 橡胶外壳 9 注入粘接剂 10 保护板 11 粘着剂涂布 12 熔接 电缆与电缆的连接头 见图 10 49 及图 10 50 电缆与电缆的 连接头也要密封处理好 电缆对接与分支连接均可采用铝热模 进行 要做到可靠连接 图 10 49 电缆对接